细菌群落数量和进化的“掌控者”---噬菌体

前言
噬菌体是地球上最丰富的生物实体，据估计约有10^31个粒子（约2亿吨）。噬菌体几乎无处不在，即使在极端环境和古老的样本中也能找到，且其结构和基因组含量都极其多样。在噬菌体和细菌长期的“攻防战”中，噬菌体在控制细菌群落数量和进化动力学中发挥重要作用，是细菌进化的重要驱动力。这不仅是因为噬菌体给宿主菌施加了高度的选择压力，还与溶源转化在内的机制有关。这里简要阐述噬菌体在控制细菌群落种群和进化动态方面的作用。
01 噬菌体对微生物生态的影响
噬菌体可影响微生物群落的分类、功能组成和稳定性，且不同类型的噬菌体产生的影响各不相同。其中，烈性噬菌体遵循“杀死优胜者（kill-the-winner）”的模式，即不断复制的噬菌体杀死最常见的细菌，抵消了单一优势细菌菌群的增殖，使不常见细菌群体数量上升，进而维持了细菌群落的多样性。此外，烈性噬菌体还可以通过辅助代谢基因 (AMG) 的表达改变细菌代谢，比如海洋噬菌体中的AMG就参与了光合作用、碳代谢和硝酸盐还原等多种过程。
通常认为溶源性噬菌体对细菌种群影响有限。与烈性噬菌体相比，溶源性噬菌体与其宿主的适应利益更一致，产生更多的互利共生行为。不过由于前噬菌体诱导或向裂解性噬菌体的突变进化，溶源性噬菌体可导致细菌大量死亡，当溶源性噬菌体随机裂解部分宿主时，它们可以促进宿主菌毒素的释放，这些毒素会抑制群落中的其他细菌，或者释放的病毒粒子本身可以杀死敏感的细菌竞争者。所以溶源性噬菌体可以通过维持细菌间的竞争来影响微生物群落的动态。
02 噬菌体对微生物进化的影响
2.1 选择抗性突变的细菌
噬菌体可以进行抗性突变选择，驱动细菌的快速遗传和表型变化。通过体外试验发现，细菌通过修饰受体表面结构，或将噬菌体来源的序列插入细菌 CRISPR-Cas位点进化出对噬菌体的抗性。当然，在自然环境中的机制更多也更复杂。噬菌体受体的突变通常具有多效性，这些受体具有重要的生理作用，包括运动、代谢物转运或表面粘附。与实验室环境相比，在自然环境中突变的代价会放大。
2.2 调节细菌的突变频率
噬菌体与宿主之间的共同进化可以增加宿主突变频率（图a）。当有多种噬菌体存在时可能会加速细菌进化，噬菌体积极选择抗性突变细菌，迅速产生多种抗性菌。反过来细菌突变同样对噬菌体-细菌相互作用产生重要影响，高突变率有利于细菌适应不断变化的应激环境，在自然选择中得以存活，这在慢性感染中很常见。溶源性噬菌体可以通过自身插入和破坏细菌基因来直接影响宿主进化。虽然有一些溶源性噬菌体整合到特定位点，几乎不会造成细菌基因组的破坏，但转座噬菌体会随机将自身插入细菌染色体并通过“复制-粘贴”的模式拷贝到其他位点进行复制。因此，这种整合和复制模式会大大改变细菌基因组，对其造成有害影响；然而，它也可能通过增加突变率来增强细菌的适应性，从而增加获得有益突变的机会，例如抗噬菌体防御增强或生物膜形成。

图a 噬菌体可改变细菌种群中的突变频率
2.3 基因创新的来源
鉴于前噬菌体在微生物基因组中广泛存在，溶源性转化可能对微生物群落的适应和进化产生重大影响。前噬菌体可以编码适应性优势的基因（例如毒力因子和代谢基因），使它们的宿主菌可以适应不断变化的环境。事实上，敲除前噬菌体显着降低了细菌在其宿主动物上的定殖能力，如禽致病性大肠杆菌、引起猩红热的化脓性链球菌或人类共生的粪肠球菌均有此现象，并且这种现象是高度动态的，因为噬菌体可以从一种菌株快速转移到另一种菌株。例如，一项对小鼠肠道细菌定殖的研究表明，入侵的大肠杆菌受到前噬菌体的诱导，进而使入侵的菌株溶源化。前噬菌体还可以保护它们的宿主菌免受其他噬菌体的侵染（图b），这种噬菌体编码的保护机制在自然界中普遍存在。

图b 前噬菌体（绿色矩形）可编码适应性优势的基因
2.4 水平基因转移的载体
噬菌体可以通过广泛的和特定的转导介导水平基因转移（HGT），从而影响细菌基因组的进化。最近发现了横向转导和自转导的新机制，转导被认为是细菌适应环境变化的重要驱动因素。噬菌体可能作为在细菌之间转移的抗生素抗性基因 (ARGs)的“储存库”。此外，了解自然环境中噬菌体介导的 HGT 的动态和影响需要考虑非生物和生物因素的影响。例如，生物膜可能是 HGT 的热点（图c）。

图c  噬菌体可通过转导介导水平基因转移
小结
噬菌体塑造了自然界中细菌群落的组成和进化，因此在生态系统中发挥着重要作用。近年来，越来越多的研究集中在噬菌体和细菌的共同进化方面。但是使用实验室里有限数量的噬菌体和细菌与自然界中的复杂环境之间仍然存在很大差距。所以我们对自然环境中噬菌体-细菌相互作用的认知还远远不够，特别是生物多样性和非生物因素如何影响噬菌体-细菌的生态学和进化动力学还需要深入研究。